Новый инструмент позволяет ученым заглянуть внутрь нейтронных звезд

Представьте себе, что вы берете звезду, в два раза превышающую массу Солнца, и сжимаете ее до размеров Манхэттена.

В результате получится нейтронная звезда — один из самых плотных объектов во Вселенной, плотность которого превышает плотность любого природного материала на Земле в десятки триллионов раз. Нейтронные звезды сами по себе являются экстраординарными астрофизическими объектами, но их чрезвычайная плотность может также позволить им функционировать в качестве лабораторий для изучения фундаментальных вопросов ядерной физики в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.

Из-за этих экзотических условий ученые до сих пор не понимают, из чего именно состоят сами нейтронные звезды, их так называемое «уравнение состояния» (УСС). Определение этого является основной целью современных астрофизических исследований. Новая часть головоломки, ограничивающая диапазон возможностей, была обнаружена парой ученых из IAS: Кэролин Райтел, сотрудник Джона Н. Бахколла в Школе естественных наук; и Элиас Мост, член Школы и научный сотрудник Джона А. Уилера в Принстонском университете. Их работа была недавно опубликована в Письма из астрофизического журнала.

В идеале ученые хотели бы заглянуть внутрь этих экзотических объектов, но они слишком малы и далеки, чтобы их можно было увидеть с помощью стандартных телескопов. Вместо этого ученые полагаются на косвенные свойства, которые они могут измерить, — например, на массу и радиус нейтронной звезды — для расчета EoS, точно так же, как можно использовать длину двух сторон прямоугольного треугольника для определения его гипотенузы. Однако точно измерить радиус нейтронной звезды очень сложно. Одна многообещающая альтернатива для будущих наблюдений состоит в том, чтобы вместо этого использовать величину, называемую «пиковой спектральной частотой» (или f₂) на свое место.

Но как ф₂ измерено? Столкновения между нейтронными звездами, которые подчиняются законам теории относительности Эйнштейна, приводят к сильным всплескам излучения гравитационных волн. В 2017 году ученые впервые измерили такие выбросы напрямую. «По крайней мере, в принципе пиковую спектральную частоту можно рассчитать по сигналу гравитационной волны, излучаемому колеблющимся остатком двух слившихся нейтронных звезд», — говорит Мост.

Ранее ожидалось, что f₂ будет разумным показателем радиуса, поскольку до сих пор исследователи считали, что между ними существует прямое или «квазиуниверсальное» соответствие. Однако Райтель и Мост продемонстрировали, что это не всегда так. Они показали, что определение EoS нет как решить простую задачу о гипотенузе. Вместо этого это больше похоже на вычисление самой длинной стороны нерегулярный треугольник, где также требуется третья часть информации: угол между двумя более короткими сторонами. Для Рейтель и Моста эта третья часть информации — это «наклон отношения масса-радиус», который кодирует информацию об УРС при более высоких плотностях (и, следовательно, в более экстремальных условиях), чем только радиус.

Это новое открытие позволит исследователям, работающим с гравитационно-волновыми обсерваториями следующего поколения (преемниками работающей в настоящее время LIGO), лучше использовать данные, полученные после слияний нейтронных звезд. По словам Райтеля, эти данные могут выявить фундаментальные составляющие материи нейтронных звезд. «Некоторые теоретические предсказания предполагают, что в ядрах нейтронных звезд фазовые переходы могут растворять нейтроны в субатомные частицы, называемые кварками», — заявил Райтель. «Это означало бы, что внутри звезд содержится море свободной кварковой материи. Наша работа может помочь завтрашним исследователям определить, действительно ли происходят такие фазовые переходы».

Об институте

Институт перспективных исследований служил миру как один из ведущих независимых центров теоретических и интеллектуальных исследований с момента своего основания в 1930 году, расширяя границы знаний в области естественных и гуманитарных наук. От работы основателей факультета IAS, таких как Альберт Эйнштейн и Джон фон Нейман, до работы выдающихся мыслителей современности, IAS посвящен исследованиям и фундаментальным открытиям, движимым любопытством.

Каждый год Институт принимает более 200 самых многообещающих постдокторантов и ученых мира, которые отбираются и получают наставничество от постоянного факультета, каждый из которых является выдающимся лидером в своей области. Среди нынешних и бывших преподавателей и членов было 35 лауреатов Нобелевской премии, 44 из 62 лауреатов Филдсовской премии и 22 из 25 лауреатов Абелевской премии, а также многие лауреаты премии Макартура и премии Вольфа.